AHSS 강재의 엣지부 연성 확보를 위한 대책

이 글에서는 절단 및 성형 공정에서 AHSS 엣지 균열이 발생하는 이유와 엣지 결함을 줄이기 위한 최상의 절단, 툴링, 재료 테스트 방식을 다룹니다. 이 기사에서는 SSAB의 선임 성형 전문가인 Vili Kesti와 함께한 최근 Docol^® 엣지 연성 웨비나의 하이라이트를 소개합니다.

일반적으로 컷 엣지를 성형할 때에는 항상 엣지 연성이 필요합니다. 예를 들어 자동차 섀시 응용 분야에서는 부품은 연속 생산 공정에서 기계로 전단되거나 펀칭되는 경우가 많습니다. 절단 후에는 예를 들어 홀 확장, 칼라 성형, 플랜지 스트레칭 등과 같은 다양한 엣지 변형 상황이 발생합니다.

AHSS 자동차 부품 설계가 점점 더 복잡해짐에 따라 균열 없이 컷 엣지를 성형하는 것이, 특히 열간압연된 AHSS 강종의 경우, 더욱 까다로워질 수 있습니다. 또한 엣지 영역에 균열과 같은 초기 결함이 있는 경우 부품의 피로 속성에도 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

시뮬레이션 소프트웨어는 애초에 균열이 발생할 가능성이 있는 중요한 영역(즉 높은 변형률)을 포착하는 데 있어 매우 효과적일 수 있습니다.

홀 펀칭과 같은 기계적 절단 공정은 강도 높은 가공 경화뿐만 아니라 컷 엣지를 따라 초기 공극 및 버 형성을 유발합니다. 이 모든 것들이 "전단 영향부" 또는 SAZ(Shear Affected Zone)를 생성합니다.

SSAB는 미세경도를 측정하였고, 절단면에 가까울수록 가공 경화값이 높아진다는 것을 확인했습니다. 이를 통해 성형 공정 이전에도 엣지의 변형 능력이 저하됩니다.

SAZ 공극은 AHSS의 미세구조에 따라 개재물, 탄화물, 위상 경계 등등의 주변에서 생성될 수 있습니다.

성형 시 가장 먼저 해야 할 일은 공구 마모 속도를 아는(및 기록하는) 것입니다. 일반적으로 초기 마모 속도가 있고, 그 다음에는 안정기를 거치고, 그 이후에는 가속화된 속도가 나타납니다. 버 형성의 경우에도 일반적으로 유사한 패턴이 나타납니다: 차트를 참조하십시오. 두 경우 모두, 예상된 가속이 시작되기 전의 툴링을 유지해야 합니다. 마모된 공구는 일부 AHSS 강종에서는 홀 확장율(HER)을 크게 감소시킵니다.

가능하다면 버가 엣지 안쪽에 오도록 해야 합니다. 엣지 바깥쪽의 버는 후속 절곡 작업이 진행되는 동안 결함을 일으키는 경향이 있습니다.

특정 AHSS 강종에 대한 최적의 절단 간극을 사용하면 (몇몇의 경우 ISO 16630 HER 표준인 12%보다 높음) HER 값을 높일 수 있습니다. 특정 강종 및 적용분야에 대한 절단 간극에 대해서는 해당 AHSS 생산자에게 문의하십시오.

공구 유지와 일관된 절단 간극 유지는 서로 밀접한 관련이 있습니다. 공구 마모는 절단 간극과 절단 대상인 AHSS 강종의 영향을 받습니다. 또한 공구의 강성도 중요합니다, 강성은 홀 주위와 더 긴 플랜지를 따라 일정한 절단 간극을 갖도록 하는데 도움이 됩니다.

전단 영향부는 절단 방법을 드릴링, 기계 가공 또는 와이어 커팅(EDM)으로 변경하면 제거할 수 있습니다. 안타깝게도, 드릴링, 기계 가공 및 EDM은 시간이 많이 소요되고 대량 생산 운영에 적합하지 않습니다. 레이저나 플라즈마와 같은 열 절단 방법은 엣지 연성을 향상시킬 수 있지만 열로 인해 경도 변화를 유발할 수 있습니다.

프리 피어싱은 HER/ 엣지 성형성을 크게 개선할 수 있습니다

많은 기술 자료들에는 2단계 전단 절단으로도 알려진 프리 피어싱이 AHSS 홀 확장 비율을 크게 개선할 수 있고 따라서 엣지 성형성을 크게 개선할 수 있다는 증거가 나와 있습니다.

프리 피어싱의 경우 단일 단계 펀치 또는 2개의 개별 펀칭 작업을 사용하여 초기의 구멍을 만든 후 트리닝 작업을 수행합니다. 최적의 결과를 얻으려면 트리밍되거나 천공된 링의 두께를 신중하게 선택해야 합니다. 프리 피어싱은 HER을 크게 개선할 수 있지만 이 차트에 표시된 것처럼 강종에 따라 개선 정도가 다릅니다.

동일한 AHSS 명칭, 상이한 엣지 연성

강종들의 강도가 서로 유사한 수준에 있다고 해도, 엣지 연성은 강종에 따라 크게 다를 수 있습니다. 또한 명목상 “명칭이 동일한” 강종을 공급하는 다양한 철강 생산업체들 간에도 커다란 차이가 있다는 것을 볼 수 있습니다.

또한 HER과 기존의 항복 강도, 인장 강도 또는 연신율 사이에는 명확한 상관관계가 없습니다. (그렇지만 최근의 간행물은 실제 두께의 파단 변형률과 HER 간에 가능한 상관관계를 보여 준다고 합니다: 추가 연구에서 이러한 상관관계가 확인되면, 향후 INSIGHTS 기사에 이것에 대해 쓸 수 있기를 바랍니다.)

예를 들어, 여기에 최소 800MPa 인장 강도를 가진 4개의 다양한 강종이 있습니다. 올바른 강종을 선택하면 분명히 엣지 성형 속성을 현저히 개선시킬 수 있습니다.

AHSS 강종을 선택할 때 고려해야 할 또 다른 고려사항은 실제 작업장 조건에서는 절단 간극을 일정하게 유지하기가 어려울 수 있다는 점입니다. 이 차트는 Docol^® HE(하이 엣지) 강종이 기존의 AHSS 강종에 비해 절단 간극들이 있는 범위에 걸쳐 보다 우수한 엣지 연성과 성헝성을 갖는다는 것을 보여 줍니다.

홀 확장 테스트에 관한 현재의 국제적 표준은 ISO 16630이며, 이는 불확실성과 변동성이 과도한 결과를 제공한다는 이유로 널리 비판받아 왔습니다.

ISO 16630은 하나의 특정 응력/변형 상태만 다룹니다. 그러나 실제 생산에는 종종 서로 다른 엣지 부하 사례들이 포함됩니다. 동일한 자동차 부품 내에서도 엣지 응력/변형 상태가 다양할 수 있습니다.

온라인 디지털 이미지 상관관계(DIC) 변형 측정을 포함하여, 다양한 테스트를 사용하여 보다 넓은 범위의 응력/변형 부하 사례를 다룰 수 있습니다. SSAB의 연구원들은 다음을 사용합니다：

• Nakajima HE 테스트
• KWi HE 테스트
• Diabolo 테스트
• 더블 벤딩 테스트
• 홀 인장 테스트

SSAB 연구원들은 "전반적인 엣지 성형성"을 설명하기 위해 새로운 콘셉트를 개발하는 중입니다. 이 접근법에서는 위에 열거된 모든 테스트를 사용하여 3개의 다른 방향(ε1, ε2, ε3)으로 AHSS 샘플을 테스트하여 균열 직전의 변형 한계를 표시하는 3D 엣지 성형 한계 다이어그램(FLD)를 생성합니다.

3D 엣지 성형 한계 다이어그램은 다양한 재료들과 이들의 전반적인 엣지 연성을 시각적으로 비교하기에 좋은 방법입니다. 또한 시뮬레이션에 효과적으로 사용할 수 있는 가능성도 있습니다. 계속 지켜봐 주십시오.